Plataforma de ensayo, basada en un convertidor C.C./C.C., para componentes magnéticos planares IPEM

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1 Plataforma de ensayo, basada en un onvertidor C.C./C.C., para omponentes magnétios planares IPEM Sandra Baró *, Raúl Pérez *, Albert Codina *, Manuel Román *, Alfonso Conesa *, Guillermo Velaso *, Flavio David Gerez **, Felipe Jerez ** * Esola Universitària d Enginyeria Tènia Industrial de Barelona (EUETIB-CEIB) ** Grupo PREMO S.A Departament d Enginyeria Eletrònia (DEE) Universitat Politènia de Catalunya (UPC). sandra.baro@estudiant.up.edu Resumen En este artíulo se presenta una plataforma de ensayo para omponentes magnétios de tenología planar y alta densidad de potenia basados en el prinipio de diseño IPEM (Integrated Power Eletronis Modules). La plataforma, onstituida por un onvertidor C.C./C.C., permite realizar ensayos en transformadores e indutores emulando las ondiiones de funionamiento a las que estarán sometidos en la apliaión final. Se presentan los primeros resultados experimentales de las ondiiones de funionamiento de los omponentes objeto de ensayo en una apliaión para automóviles elétrios e híbridos. seiones simétrias del primario y el seundario, se onsigue obtener indutanias de dispersión inferiores al 1%, lo ual redue los pios de tensión y osilaiones que pueden dañar a los transistores del onvertidor e inrementar las emisiones de interferenias. Los inonvenientes que genera esta ténia son la difiultad de la fabriaión e, iniialmente, el inremento de apaidades parásitas, aunque en topologías resonantes pueden ser aprovehadas. E I. INTRODUCCIÓN N los últimos años, los fabriantes de automóviles han entrado su atenión en la reduión del onsumo de ombustibles fósiles mediante mejoras en el diseño de los motores y en mayor medida mediante la introduión de vehíulos elétrios e híbridos, dediando mayores esfuerzos en la administraión y gestión de la energía. La efiienia de los onvertidores es fundamental en la gestión de la energía, ya sea en el sistema de traión, el meanismo de reuperaión de energía del sistema de frenado regenerativo, la gestión de arga de la batería o la alimentaión del equipamiento elétrio auxiliar del vehíulo. En el suministro elétrio de la red de abordo interviene un onvertidor C.C./C.C. que onvierte la tensión de la batería al valor nominal de alimentaión de los dispositivos auxiliares del vehíulo. La mejora de la efiienia energétia y de integraión de este tipo de onvertidor se entra en la optimizaión de los elementos magnétios que lo onstituyen. Una de las estrategias atuales de diseño de onvertidores que favoree el inremento en la efiienia y la obtenión de alta densidad de potenia se basa, en parte, en el desarrollo de elementos pasivos, indutivos en este aso, on un alto nivel de integraión para su uso en módulos de eletrónia de potenia integrados, onoidos omo Integrated Power Eletronis Modules (IPEM) [1]. La tenología planar forma parte de esta estrategia de diseño y, a diferenia de los omponentes onvenionales, permite obtener elementos magnétios de perfiles bajos y geométriamente optimizados_[2], on buena repetitividad de sus propiedades parásitas [3], a diferenia de los omponentes onvenionales. Estas araterístias posibilitan freuenias de onmutaión elevadas y el uso de topologías resonantes. Mediante la apliaión de ténias de interleaving, la interalaión entre Fig. 1 Indutores y transformadores de tenología planar Con el fin de optimizar los elementos magnétios de tenología planar que onstituyen el onvertidor, es deir, un transformador y una indutania, se propone el desarrollo de una plataforma de ensayo que emule las ondiiones nominales (Tabla I) de funionamento de diho onvertidor una vez integrado en el vehíulo elétrio. Tensión de entrada Tensión de salida Intensidad de salida Freuenia de onmutaión Proteiones TABLA I ESPECIFICACIONES DEL CONVERTIDOR 120 V 10 V - 20 V 160 A 70kHz 150kHz Tensión de alimentaión, sobretemperatura, sobreorriente de arga, drivers El equipo emula las ondiiones de funionamiento a las que estarán sometidos los omponentes objeto de ensayo en la apliaión final. Como onseuenia, de los ensayos pueden extraerse parámetros elétrios, térmios y aústios, siendo todos ellos fuente de informaión para la optimizaión de su diseño y mejora de su efiienia energétia.

2 II. CONSTITUCIÓN DE LA PLATAFORMA DE ENSAYO La plataforma de ensayo (Fig. 2) onsta de un onvertidor C.A./C.C., basado en un retifiador trifásio onetado a la red elétria en su entrada a través de un varia y un onvertidor C.C./C.C. en su salida. Debido a los elevados valores de potenia que el onvertidor debe manejar, la arga del onvertidor se implementa mediante una arga ativa. El onvertidor debe realizar ensayos a distintas freuenias (70kHz a 150 khz) y tensiones de salida del onvertidor C.C./C.C. (10 V a 20 V), tal y omo se india en las espeifiaiones de la Tabla I. Por ello, dihas onsignas deben poder ser modifiadas según el ensayo a realizar, esta funión se implementa mediante una interfaz de usuario. Asimismo, esta interfaz es la enargada de la deteión y gestión de los errores que pueden surgir durante los ensayos. Fig. 2 Diagrama de bloques del equipo de ensayo Desde la interfaz de usuario se ontrola el equipo, tanto la onfiguraión de las onsignas omo la deteión, visualizaión y gestión de los errores espeifiados en la Tabla_I. III. DESCRIPCIÓN DEL CONVERTIDOR La topología utilizada viene determinada por el onvertidor uyas ondiiones de funionamiento se pretenden emular. Se trata de un onvertidor C.C./C.C. de puente ompleto, uya estrategia de onmutaión se basa en el ontrol por desplazamiento de fase, uya etapa de salida es un retifiador de toma media [4],[5]. La razón que justifia esta topología es el heho de tratarse de un onvertidor de media-alta potenia. La tenología de onmutaión suave, mediante la onmutaión a tensión nula (Z.V.S.) [6], se introdue en la apliaión on el fin de disminuir el estrés de los dispositivos de onmutaión. El análisis del modelo del onvertidor C.C./C.C es la base su estudio, siendo fundamental para su diseño. Estableido el iruito prinipal, es neesario implementar un sistema de ontrol de lazo errado on el fin de mejorar la preisión de la salida y las araterístias dinámias. La Fig. 4 muestra la estrutura del onvertidor C.C./C.C. en puente ompleto. Los ondensadores C1 a C4 junto on el indutor Lr onstituyen el iruito que failita la onmutaión ZVS. Suponiendo que estén ativadas las señales V T1 -V T4 y onsiderando ideales las araterístias de los diodos D R1 -D R2 del retifiador, la freuenia de onmutaión debe ser muho mayor que la freuenia de orte del filtro de salida. La distribuión de los diferentes módulos que onforman el equipo de ensayo se muestran en la Fig. 3. Su disposiión físia debe failitar la inserión y ambio de los dispositivos de ensayo, es deir, el transformador y la indutania, así omo la onexión de los instrumentos para la toma de medidas, dado que el sistema de adquisiión de datos es externo al equipo de ensayo. Otra de las razones es failitar la interaión on la interfaz de usuario de forma segura durante la realizaión de los ensayos para el ambio de onsignas o ontrol de errores. ALIMENTACIÓN Ug VT1 VT2 C1 C2 Lr VT3 VT4 DR1 C3 C4 Lf Uo Cf RL 3 MÓDULO DEL CONTROL Y LOS CIRCUITOS DRIVER INTERFAZ DE USUARIO DR2 Fig. 4 Esquema del onvertidor C.C./C.C. de Puente ompleto RED 3 PUENTE 2 RECTIFICADOR TRIFÁSICO MÓDULO DE POTÉNCIA 1 1 TRANSFORMADOR MÓDULO DE SALIDA Fig. 3 Diagrama modular del equipo de ensayo 2 2 INDUCTANCIA CARGA ACTIVA La Fig. 5 muestra el iruito equivalente del onvertidor C.C./C.C. en un ilo de onmutaión. Puede dividirse en dos subiruitos en funión del estado (a) o (b) de los dispositivos de onmutaión: 0 t dts,dts t Ts. La orriente por el indutor I L y la tensión del ondensador son las variables de estado y la tensión U O la variable de salida.

3 En 0 t dts, onduen V T1, V T4 o V T2, V T3. En la Fig._5(a) se muestra el iruito equivalente y su euaión es la siguiente: L di L dt u g n u C du i L u (1) dt R En dts t Ts, no onduenv T1, V T4 o V T2, V T3. En la Fig._5(b) se muestra el iruito equivalente y su euaión es la siguiente: L di L dt u C du dt i L u R Luego, de las expresiones (1) y (2) y onsiderando el valor promedio: (2) d + (3) (1-d), en la que d es el ilo de trabajo, se obtiene: L di L dt 2d u g n u 2d u T s C du 2d i L u 2d i dt R L u (3) R Ug Ig b a n:1 Fig. 5 Ciruito equivalente del onvertidor C.C./C.C. IV. DESCRIPCIÓN DEL CONTROL El ontrol del onvertidor estátio es un ontrol de anho de pulso (P.W.M.) por desplazamiento de fase (Fig._6) en el que la onmutaión de un semipuente se desfasa respeto al otro on el fin de ontrolar el anho de pulso de la salida del puente. Fig. 6 Señales de ontrol por desplazamiento de fase La onmutaión de los MOSFET de una misma rama del il L C i U R (2) D puente es omplementaria y de ilo de trabajo fijo del 50%, sin que influyan la freuenia de onmutaión o la onstante R Gate C Gate de la puerta de los MOSFET. Entre ada par de señales omplementarias se programa un retardo on el objetivo de evitar ortoiruitos entre los onmutadores de un mismo semipuente y disminuir su estrés de onmutaión. En la Fig. 7 se muestra un modelo de fuentes ontroladas del onvertidor (a) y a ontinuaión el diagrama de bloques del lazo de regulaión (b). (a) (b) El iruito de ontrol utilizado para implementar el ontrol del onvertidor se basa en el IC UCC3895. La razón de la eleión de este dispositivo es la versatilidad de onfiguraión de las araterístias que presenta. En esta apliaión y para failitar la magnetizaión progresiva y sin saturaión del transformador de aislamiento debido a posibles asimetrías en la forma de onda de la tensión del primario del transformador, se ha previsto un proeso de arranque lento (softstart), del orden de algunos segundos. El tiempo de softstart viene definido por: t Fig. 7 Diagrama de bloques del lazo de regulaión softstart L (2d-1)Ug t C T il V i RT CT (4) C VREF i i RT RT VC VREF Otra de las araterístias implementadas es el sensado de la orriente del puente ompleto mediante un transformador de intensidad, que aporta aislamiento galvánio, omo proteión de los onmutadores. Del mismo modo, se implementa el retardo de ada par de señales omplementarias mostradas en la Fig. 6. Por último, el iruito de ontrol dispone de una entrada de inhabilitaión onetada a la interfaz de usuario. Este módulo tiene programada la gestión de errores y suspende el funionamiento del onvertidor en aso de produirse un evento programado. V. RESULTADOS DE SIMULACIÓN Se ha implementado en el programa de simulaión PSIM el iruito de la Fig._3 orrespondiente al onvertidor del equipo de ensayo on el ontrol propuesto. En la Tabla II se muestran las ondiiones de simulaión utilizadas. C RL u

4 Tensión de entrada Tensión de salida Intensidad de salida Freuenia de onmutaión Indutania Condensador TABLA II CONDICIONES DE SIMULACIÓN 120 V 14 V 20 A 100kHz 1mH 10µF Tensión de entrada Tensión de salida Intensidad de salida Freuenia de onmutaión Capaidad de salida Indutania de ensayo TABLA II CONDICIONES DE ENSAYO DEL CONVERTIDOR 120 V 7 V 20 A 50kHz 10µF 7,5µH En la Fig. 8 se presentan los resultados de simulaión orrespondientes a la tensión de salida del puente ompleto (V DS2 -V DS4 ) y la orriente a través de la indutania. Fig. 8 Tensión de salida del puente ompleto y orriente por la indutania Fig. 10 Plataforma de ensayo En la Fig. 9 se muestran la tensión y la intensidad de salida del onvertidor. Fig. 9 Tensión y orriente de salida del onvertidor Fig. 11 Plataforma de ensayo VI. RESULTADOS DE ENSAYO Se ha onstruido un prototipo del onvertidor (Fig.10 y Fig.11) sobre el que se han heho ensayos, en espeial sobre los aspetos más signifiativos relaionados on el tiempo entre las señales de puerta, el sistema de deteión de errores y el ajuste del lazo de realimentaión. La Fig. 12 muestra la señal de mando en el lado del ontrol de los 4 transistores MOSFET, del número 1 al 4, respetivamente. En la misma figura se puede observar el detalle del tiempo muerto entre ada par de señales. La tabla II muestra las ondiiones de ensayo del onvertidor. Puede observarse que dihos valores son inferiores a los nominales (véase Tabla I) al enontrarse el proyeto en fase de desarrollo. Fig. 12 Señal de mando de los MOSFET (esala CH1-CH4 10V/div.)

5 Las Fig. 12-Fig. 16 muestran los resultados de los ensayos realizados en los omponentes magnétios planares presentados en la Fig. 1. Fig. 15 Respuesta de la tensión de salida frente a un ambio de arga de 10A a 20ª (esala CH1 2V/div.) Fig. 13 Detalle de la señal de mando de los MOSFET (esala CH1-CH4 10V/div.) En la Fig. 13 se detalla el tiempo muerto onfigurado entre las señales de ativaión de los interruptores de ada semipuente. Fig. 16 Tensión de salida del onvertidor (esala CH1 2V/div.) y valor medio de la misma señal (esala CH1 2V/div.) Fig. 14 Señal de entrada del transformador (esala CH1 5V/div.) y salida retifiada (esala CH1 10V/div.) VII. CONCLUSIONES Se ha presentado una plataforma de ensayo basada en un onvertidor de ontinua de media potenia en el que la omplejidad se entra en la elevada orriente de salida que proporiona el onvertidor (160 A máx.). Se ha onstruido un prototipo sobre el que se han ensayado y omprovado los puntos mas omprometidos del diseño. Un punto rítio es el derivado del ruido que generan los

6 dispositivos semiondutores en la onmutaión, propagandose por el iruito y afetando las señales digitales del módulo del ontrol. Las araterístias de la plataforma de ensayo y el onvertidor C.C./C.C. presentado están estableidas según las ondiiones neesarias para el ensayo de los omponentes magnétios de la apliaión. RECONOCIMIENTOS Este trabajo ha sido desarrollado en olaboraión on la empresa PREMO S.A. REFERENCIAS [1] J. Popovi-Gerber, M. Gerber, B. Ferreira, "An approah to building more ompat power eletroni onverters", IEEE Power Eletronis and Appliations, 2007 European Conferene on, Aalborg, September [2] Rengang Chen, F. Canales, Bo Yang and J.D. van Wyk, "Volumetri Optimal Design of Passive Integrated Power Eletroni Module (IPEM) for Distributed Power System (DPS) Front-end DC/DC Converter", IEEE Industry Appliations Conferene, th IAS Annual Meeting, Vol.3, pp , [3] J. Ferrell, J. Lai, T. Nergaard, X. Huang, L. Zhu and R. Davis, " The Role of Parasiti Indutane in High-Power Planar Transformer Design and Converter Integration", IEEE Applied Power Eletronis Conferene and Exposition APEC '04, Vol.1, pp , [4] Robert W. Erikson and Dragan Maksimovi, Fundamentals of power eletronis, Ed. Kluwer Aademi Publisher, Seond Edition [5] N. Mohan, T. M. Undeland and W. P. Robbins Power eletronis: Converters, Appliations and Design, Ed. John Wiley & Sons, In., Seond Edition [6] H. Xuezhi, N. Guangqun, " The Researh of Modeling and Simulation for Phase-shifted Full-bridge ZVS DC / DC Converter", Intelligent Information Tehnology Appliation, IITA Third International Symposium on, Vol. 2, pp , Nanhang, Deember 2009.